CN101590650A - 解耦的三转动自由度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解耦的三转动自由度并联机构，由机架(1)、动平台(3)和固连在机架和动平台之间的第一运动支链(2a)、第二运动支链(2b)、第三运动支链(2c)组成，第一运动支链(2a)的三个转动副轴线汇交于平台(3)的中心点。本发明所述的运动解耦球面转动并联机构仅含有少量运动副，并且所有驱动电机都可以安装在机架上，因而具有结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快的优点；同时本发明所述的球面转动并联机构运动线性解耦解耦，标定容易，控制简单，从而降低了开发成本。

Description

解耦的三转动自由度并联机构

技术领域

本发明属于工业机器人领域，特别是涉及用于机器人的腕、肩、腰部关节的解耦的三转动自由度并联机构。

背景技术

工业机器人通常由机械系统、控制系统和智能系统三个部分组成。机械系统又分为执行机构和驱动机构，其中执行机构一般由手部、腕部、臂部、腰部和机架组成。机器人腕部(即手腕)是臂部与手部的连接部件，是机器人的调节机构，是工业机器人操作机中最为复杂的部件。手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、两自由度手腕和三自由度手腕。手腕处于手臂末端，要求其结构紧凑，重量轻；为了使手腕处于空间任意方向，灵活自如地实现各种作业，腕部最好具有三个俯仰、偏转、摆动自由度。

当机器手腕实现三个自由度时，公知的方法是采用类似文献[Arthur J.Critchlow，″Introduction to Robotics″Mscmillan Publishing Comp，New York，1986，p.70]中的手腕机构。此时驱动手腕三个自由度的电机都安装在机器人上臂后端，然后通过中央轴、内层套筒和外层套筒，实现手腕的三个自由度。显然这种三层套筒轴传动方式的复杂性限制了6自由度机器人的普及。近年来随着元器件的小型化，尤其是电机功率/重量比地提高，出现了使电机更加靠近被驱动关节，日本安川公司(YASKAWA Electric Mfg.Co.Ltd)的机器人Motoman KS(All-Electric Industrial robot，YASKAWA，Japan)系统中采用的手腕结构是其中的代表。它采用齿轮传动实现三个转动自由度。但是齿轮传动容易磨损、传动精度较低，要精密、小巧的成本很高，对工作空间狭窄的应用难以实现。

随着并联机构的出现，能实现三个转动自由度的并联机构开始应用于机器人腕关节。与串联结构的球面转动机构相比，并联球面转动机构的腕关节刚度大、运动响应快，单位体积能承受更大的载荷，特别适合用于机器人的腕、肩、腰部关节[杭鲁滨，王彦，吴俊等.基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究[J].机械工程学报，2005，Vol.41，No.9：pp28-32]。运动解耦并联机器人是指输出运动的任一个自由度都仅依赖单个驱动单元，其他驱动单元动作不对此自由度产生影响。中国专利文献CNO3258423.7文献报道的“基于球面机构的太阳跟踪装置”中采用了三自由度球面机构，但它的三个转动完全耦合，即不能解耦；导致并联机构控制复杂，标定困难，且制约了精度的提高。美国专利USOO596699IA提出的二自由度球面机构也只能在初始位置瞬时解耦，其他位置不能解耦。文献[杭鲁滨，王彦，吴俊等.基于拓扑解耦准则的球面并联机构解耦条件研究[J].机械工程学报，2005，Vol.41，No.9：pp28-32]提出了一种部分解耦的3-RRR球面转动机构，但由于位姿参数仍然存在弱耦合，控制一个姿态参数会同时导致其他姿态参数变化。有关可以解耦的三自由度球面机构文献发明目前尚未检索到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有刚度大、运动响应快、结构简单、控制容易、运动精度高、成本较低等特点的解耦的三转动自由度并联机构。

一种解耦的三转动自由度并联机构，由机架(1)、动平台(3)和固连在机架和动平台之间的第一运动支链(2a)、第二运动支链(2b)、第三运动支链(2c)组成，所述第一运动支链(2a)包括Z轴转动副(21)、X轴转动副(22)、Y轴转动副(23)，所述第二运动支链(2b)包括第一球铰链(24)、第一移动副(25)、第二球铰链(26)，所述第三运动支链(2c)包括第三球铰链(27)、第二移动副(28)、第四球铰链(29)，所述的Z轴转动副(21)、第一球铰链(24)、第三球铰链(27)安装在机架(1)上，第一运动支链(2a)的三个转动副轴线汇交于平台(3)的中心点，球铰链(26)、(29)和动平台(3)相连，球铰链(26)球心、球铰链(29)球心、动平台(3)中心成直角三角形，且动平台(3)中心为直角顶点。

有益效果

本发明所述的运动解耦球面转动并联机构仅含有少量运动副，并且所有驱动电机都可以安装在机架上，因而具有结构简单、安装方便、转动惯量小，运动响应快的优点；同时本发明所述的球面转动并联机构运动线性解耦解耦，标定容易，控制简单，从而降低了开发成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种解耦的三转动自由度并联机构，由机架1、动平台3和固连在机架和动平台之间的第一运动支链2a、第二运动支链2b、第三运动支链2c组成，所述第一运动支链2a包括Z轴转动副21、X轴转动副22、Y轴转动副23，所述第二运动支链2b包括第一球铰链24、第一移动副25、第二球铰链26，所述第三运动支链2c包括第三球铰链27、第二移动副28、第四球铰链29，所述的Z轴转动副21、第一球铰链24、第三球铰链27安装在机架1上，第一运动支链2a的三个转动副轴线汇交于平台3的中心点，球铰链(26)、(29)和动平台(3)相连，球铰链(26)球心、球铰链(29)球心、动平台(3)中心成直角三角形，且动平台(3)中心为直角顶点。

上述机构工作时：

当第一运动支链2a的Z轴转动副21绕电机轴线转动时，带动转动副22、转动副23使动平台3绕转动副21轴线转动，由于第二运动支链2b、第三运动支链2c具有六个自由度，移动副25、移动副28伸缩可以满足动平台3绕Z轴转动副21轴线转动的需要，因此第一运动支链2a的Z轴转动副21驱动动平台绕其轴线转动。

当第二运动支链2b的移动副25沿轴向伸缩时，使动平台3绕Y轴(球铰链26球心与动平台3中心连线的垂线)转动，而第一运动支链2a具有绕动平台中心的三转动自由度，第三运动支链2c具有同轴向的转动自由度，因此第二运动支链2b的第一移动副25驱动动平台绕Y轴转动。

同理可知，第三运动支链2c的第二移动副28驱动动平台绕X轴(球铰链29球心与动平台3中心连线的的垂线)转动。

因此该机构不但是具有三个转动自由度的球面转动并联机构，并且输入运动与输出运动是线性解耦。

Claims (1)

1.一种解耦的三转动自由度并联机构，由机架(1)、动平台(3)和固连在机架和动平台之间的第一运动支链(2a)、第二运动支链(2b)、第三运动支链(2c)组成，所述第一运动支链(2a)包括Z轴转动副(21)、X轴转动副(22)、Y轴转动副(23)，所述第二运动支链(2b)包括第一球铰链(24)、第一移动副(25)、第二球铰链(26)，所述第三运动支链(2c)包括第三球铰链(27)、第二移动副(28)、第四球铰链(29)，所述的Z轴转动副(21)、第一球铰链(24)、第三球铰链(27)安装在机架(1)上，第一运动支链(2a)的三个转动副轴线汇交于平台(3)的中心点，球铰链(26)、(29)和动平台(3)相连，球铰链(26)球心、球铰链(29)球心、动平台(3)中心成直角三角形，且动平台(3)中心为直角顶点。

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